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12024-21-4/郝躍院士談氧化鎵:致力于提供更高效的生活

近年來氧化鎵晶體生長技術的突破性進展,極大地推動了相關的薄膜外延、日盲探測器、功率器件、高亮度紫外LED等器件的研究,是國際上超寬禁帶半導體領域的研究熱點。國家重點研發計劃“戰略性先進電子材料”重點專項也于2018年發布了相關的研究指南“超寬禁帶半導體材料與器件研究(基礎研究類)”,也極大帶動了國內相關科研機構的研究興趣,近年來,我國科學工作者在氧化鎵材料和器件研究方面取得了重要的進展。

在最新出版的《半導體學報》2019年第1期上,西安電子科技大學郝躍院士總結了目前氧化鎵半導體功率器件的發展狀況,著重介紹了氧化鎵材料的潛力、氧化鎵材料及器件研制進展和面臨的挑戰。郝躍院士特別對氧化鎵這個重要新興領域的未來發展前景進行了展望。

郝躍院士談氧化鎵:致力于提供更高效的生活

氧化鎵材料潛力

氧化鎵(β-Ga2O3)作為繼GaN和SiC之后的下一代超寬禁帶半導體材料,其禁帶寬度約為4.8 eV,理論擊穿場強為8 MV/cm,電子遷移率為300 cm2/Vs,因此β-Ga2O3具有4倍于GaN,10倍于SiC以及3444倍于Si的Baliga技術指標。同時通過熔體法(生長藍寶石襯底的方法)可以獲得低缺陷密度(103~104 cm-2)的大尺寸β-Ga2O3襯底,使得β-Ga2O3器件的成本相比于GaN以及SiC器件更低。隨著高鐵、電動汽車以及高壓電網輸電系統的快速發展,全世界急切的需要具有更高轉換效率的高壓大功率電子電力器件。β-Ga2O3功率器件在與GaN和SiC相同的耐壓情況下,導通電阻更低、功耗更小、更耐高溫、能夠極大地節約上述高壓器件工作時的電能損失,因此Ga2O3提供了一種更高效更節能的選擇。

氧化鎵材料及器件研制進展

目前氧化鎵低缺陷密度襯底已經可以達到4英寸,而在氧化鎵襯底上通過MOVPE、MBE及HVPE等原位同質外延獲得的外延層具有0.5 nm左右的RMS平整度。氧化鎵材料的平均擊穿電場已經達到5 MV/cm,水平及縱向垂直氧化鎵肖特基二極管分別已經取得了超過3 kV以及2.2 kV的擊穿電壓。同時,耗盡/增強型背柵MOSFET也取得了超過1.5/1 A/mm的輸出電流密度、水平及縱向MOSFET在截止狀態下也分別取得了1.8/1 kV的擊穿電壓以及氧化鎵高頻器件取得了ft/fmax = 5.1/17.1 GHz。

挑戰及展望

氧化鎵器件除日本推出的α-Ga2O3二極管產品以外,其他Ga2O3器件仍然處在實驗室階段。目前所關心的主要問題是:氧化鎵襯底的低熱導率。解決辦法有兩種:熱傳遞自器件溝道往下到通過鍵合技術所得的高熱導率金剛石或AlN襯底以及自溝道往上至器件鈍化層頂部高熱導率金屬熱沉。P型摻雜依然是一個巨大的挑戰,但從器件角度來看可采用單極器件。其他挑戰還包括研制出具有低缺陷密度高可靠的柵介質、更低阻值的歐姆接觸、更有效的終端技術比如場版和金屬環用來提高擊穿電場、更低缺陷密度及更耐壓的Ga2O3外延層以及更大更便宜的單晶襯底。在充分考慮并解決了不局限于上述問題,氧化鎵功率器件的明天便會大放光彩,為高效能功率器件的選擇提供新的方案。